КиТЭВМ

2.1.11. Трассировка проводных соединений

Несмотря на быстрое развитие печатного монтажа, удельный вес проводных соединений в ЭА остается еще достаточно большим. Как правило, проводной монтаж используют при электрическом объединении модулей третьего (субблоков, кассет) и четвертого (блоков, рам) уровней иерархии.

Трассировку проводных соединений производят двумя способами:

1)по прямым, соединяющим отдельные выводы модулей (монтаж

внавал);

2)с помощью жгутов.

Трассировка по первому методу заканчивается построением кратчайших деревьев – этап 1 (рис. 2.4).

Достоинства метода: простота выполнения; высокая помехоустойчивость; позволяет до минимума сократить общую длину проводников и протяженность участков их параллельного прохождения; уровень паразитных наводок и время задержки сигнала в электрических соединениях относительно невелики.

Недостатки: высока вероятность появления в процессе монтажа ошибок (неправильное подсоединение отдельных выводов, пропуск некоторых соединений и т. п.); контроль правильности трассировки сложен; при высокой плотности монтажа обладает малой ремонтопригодностью.

Трассировка с помощью жгутов предполагает объединение отдельных проводников в жгуты, которые укладываются в специальные каналы, предусмотренные в монтажном поле. При трассировке проводных соединений данным методом решаются следующие задачи (рис. 2.4): получение списка соединений; построение кратчайших связывающих деревьев (сетей); выполнение трассировки проводов в каналах.

Достоинства: более технологичен, так как позволяет разделить операции вязки и распайки жгутов; проще процесс контроля и устранения ошибок, допущенных при монтаже.

Недостатки: практически неприемлем для создания высокочастотной и чувствительной к электрическим помехам аппаратуры.

Задача трассировки проводных соединений формулируется следующим образом.

В некоторой системе координат X Y Z, связанной с коммутационным пространством модуля, задано местоположение множества выводов:

M ={m1, m2,...,mn}.

121

В соответствии с электрической схемой соединений разобьем множество М на непересекающиеся подмножества М(1), М(2),..., М(Р), каждое из которых включает в себя выводы, подлежащие электрическому объединению.

Для каждого подмножества требуется определить последовательность соединения выводов и конфигурацию проводников, обеспечивающих при заданных ограничениях минимальную суммарную длину соединений. Необходимо учитывать назначение цепей.

Среди различных вариантов соединения вершин (выводов) подмножества М(i) целесообразно рассматривать лишь древообразные структуры (если нет – дублирование проводов).

2.1.12. Трассировка печатных соединений

Задача проектирования печатного монтажа может быть сформулирована следующим образом. На коммутационной поверхности заданы своими координатами (х, у) множество конструктивных элементов:

R ={r1, r2,...,rt}.

Выводы этих элементов образуют некоторое множество из L связных подмножеств:

ε ={C1, C2,...,CL},

где каждое l-тое подмножество Сl объединяет Nl выводов конструктивных элементов из множества R в соответствии с принципиальной электрической схемой.

Кроме того, заданы расположение групп контактных площадок разъемов и монтажных отверстий, ряд требований, предъявляемых к топологии платы:

•минимальная ширина проводников и зазора между ними,

•размеры контактных площадок,

•число слоев металлизации и способы перехода с одного слоя на другой и т. п.

Требуется с учетом заданных конструкторско-технологических ограничений соединить выводы конструктивных элементов внутри каждого

подмножества Сl ε так, чтобы полученные соединения отвечали выбранному показателю качества.

В общем виде задачу трассировки печатных соединений можно свести к построению бесперекрестного минимального леса и отысканию кратчайшего пути между его вершинами (трассировка соединений).

122

Обе эти задачи можно рассматривать как независимые, алгоритмически разрешимые:

1) Построение бесперекрестного минимального леса сводится к поиску таких связывающих деревьев Gl, для каждого из подмножеств Сl, которые минимизируют целевую функцию:

L Nl −1

F = ∑ ∑ (dijn )l , l=1 n=1

где (dijn )l - длина n-ной связи в выбранной метрике между точками i и j

(контактами выводов), принадлежащими подмножеству Сl, объединяющему Nl контактов.

Единственно достоверным способом получения оптимального результата в этих условиях является полный перебор вариантов последовательностей построения бесперекрестного леса, что на практике невозможно.

Характерной особенностью печатного монтажа является возможность кроме соединений типа «вывод-вывод», применяемых в проводном монтаже, использовать соединения типа «вывод-проводник» и «провод- ник-проводник».

Оптимизация подобных цепей предполагает построение для каждого множества объединяемых вершин Мi = {т1(i), т2(i),..., mn(i)} минимальных деревьев, допускающих введение произвольного числа дополнительных вершин, образующих множество D = {d1, d2,…, dk}, (т. е. точки соединения и разветвления печатных проводников).

Практически все методы построения минимальных связывающих деревьев не учитывают ограничения на размеры монтажного поля, толщину печатных проводников и величину зазора между ними. В результате значительную часть найденных деревьев оказывается невозможным реализовать в виде электрических цепей печатной платы.

Указанный недостаток, большое время, затрачиваемое на построение минимальных связывающих деревьев, привели к тому, что данные алгоритмы применяют лишь для отыскания пар контактов, подлежащих соединению.

2) Трассировку соединений осуществляют с помощью алгоритмов, основанных на методах динамического программирования.

Общим для этих алгоритмов является разбиение монтажного поля на ячейки, размер и форма которых определяют плотность и конфигурацию печатных проводников (равносторонние треугольники, квадраты, шестиугольники).

123

Наибольшее распространение на практике получило разбиение рабочего поля на правильные квадраты, что обеспечивает простую адресацию ячеек в прямоугольной системе координат и привычную форму соединений.

Покрытие поля равносторонними треугольниками является наименее удачным, так как при реализации алгоритма трассировки потребуется введение дополнительной операции сглаживания углов. Кроме того, использование треугольных и шестиугольных ячеек усложняет их адресацию.

Размеры ячеек определяются конструктивно-технологическими требованиями, предъявляемыми к печатному монтажу. Так как в каждой ячейке обычно размещается только один вывод или печатный проводник, максимальные размеры ячеек определяются допустимой точностью воспроизведения проводников.

Минимальные размеры ячеек обусловливаются возможностью ОЗУ ЭВМ и соотношением:

d ≥ bn −l ,

где d - расстояние между центрами соседних ячеек; bn - минимальная ширина печатного проводника;

l - минимальное расстояние между соседними проводниками. Соединение выводов конструктивных элементов осуществляется в

результате последовательного заполнения ячеек трассами, конфигурация которых является локально оптимальной (соединения проводятся оптимальным образом лишь по отношению к ранее построенным проводникам) в соответствии с выбранными критериями трассировки.

При последовательном процессе проведения трасс (поскольку многие соединения конкурируют между собой) число разведенных цепей и их конфигурация определяются последовательностью трассировки отдельных соединений.

Известные алгоритмы трассировки печатных плат можно условно разбить на три большие группы:

•волновые,

•ортогональные,

•эвристического типа.

Волновые алгоритмы. Основаны на идеях Ли. Получили широкое распространение в существующих САПР.

Достоинства:

−позволяют легко учитывать технологическую специфику печатного монтажа со всей совокупностью конструктивных ограничений;

−всегдагарантируютпостроениетрассы, еслипутьдлянеесуществует.

124

Ортогональные алгоритмы.

Достоинства:

−обладают большим быстродействием, чем волновые алгоритмы;

−реализация их на ЭВМ требует в 75 – 100 раз меньше вычислений по сравнению с волновыми алгоритмами.

Недостатки:

−получение большого числа переходов со слоя на слой;

−отсутствие 100 %-ной гарантии проведения ряда трасс;

−большое число параллельно идущих проводников.

Такие алгоритмы применяют при проектировании печатных плат со сквозными металлизированными отверстиями.

Алгоритмы эвристического типа.

В настоящее время они широко распространены (критичны к объему памяти и быстродействию ЭВМ). Частично основаны на эвристическом приеме поиска пути в лабиринте. При этом каждое соединение проводится по кратчайшему пути, обходя встречающиеся на пути препятствия.

Волновой алгоритм Ли представляет собой классический пример использования методов динамического программирования для решения задач трассировки печатных соединений.

Основные принципы построения трасс с помощью волнового алгоритма:

−все ячейки монтажного поля подразделяют на занятые и свободные;

−занятыми считаются ячейки, в которых уже расположены проводники, построенные на предыдущих шагах, или находятся монтажные выводы элементов, а также ячейки, соответствующие границе платы и запрещенным для прокладывания проводников участкам;

−каждый раз при проведении новой трассы можно использовать лишь свободные ячейки, число которых по мере проведения трасс сокращается.

На множестве свободных ячеек коммутационного поля моделируют волну влияния из одной ячейки в другую, соединяемых впоследствии общим проводником.

Первую ячейку, в которой зарождается волна влияний, называют источником, а вторую – приемником волны.

Чтобы иметь возможность следить за прохождением фронта волны влияний, его фрагментам на каждом этапе присваивают некоторые веса:

Pk = Pk −1 + ψ( f1, f2,…, fg ) ,

где Pk и Рk-1 – вес ячеек k-того и k – 1-того фронтов;

125

ψ(f1, f2, …, fg) – весовая функция, являющаяся показателем качества проведения пути, каждый параметр которой fi(i = 1, 2,..., g) характеризует путь с точки зрения одного из критериев качества (длины пути, числа пересечений и т. п.).

На Рk накладывают одно ограничение – вес ячеек предыдущих фронтов не должны быть больше веса ячеек последующих фронтов.

Фронт распространяется только на соседние ячейки, которые имеют с ячейками предыдущего фронта общую сторону или хотя бы одну общую точку. Процесс распространения волны продолжается до тех пор, пока ее расширяющийся фронт не достигнет приемника или на ξ-том шаге не найдется ни одной свободной ячейки, которая могла бы быть включена в очередной фронт, что соответствует случаю невозможности проведения трассы при заданных ограничениях.

Если в результате распространения волна достигла приемника, то осуществляют «проведение пути», которое заключается в движении от приемника к источнику по пройденным на этапе распространения волны ячейкам, следя за тем, чтобы значения Рk монотонно убывали. В результате получают путь, соединяющий эти две точки.

Из описания алгоритма следует, что все условия, необходимые для проведения пути, закладываются в правила приписания веса ячейкам.

Чтобы исключить неопределенность при проведении пути для случая, когда несколько ячеек имеют одинаковый минимальный вес, вводят понятие путевых координат, задающих предпочтительность проведения трассы. Каждое направление кодируют двоичным числом по mod q, где q - число просматриваемых соседних ячеек. При этом чем более предпочтительно то или иное направление, тем меньший числовой код оно имеет.

Например, если задаться приоритетным порядком проведения пути сверху, справа, снизу и слева, то коды соответствующих путевых коорди-

нат будут 00, 01, 10 и 11.

Приписание путевых координат производят на этапе распространения волны. При проведении пути движение от ячейки к ячейке осуществляют по путевым координатам.

Вопросы для самопроверки по теме 2.1

1.Обоснуйте необходимость применения САПР.

2.Раскройте сущность САПР.

3.Приведите классификацию существующих САПР.

4.Назовите и охарактеризуйте основные составные части САПР.

126

5.Назовите универсальные и специализированные технические средства САПР.

6.Перечислите основные требования при создании САПР.

7.Перечислите требования к математическому обеспечению САПР.

8.Перечислите принципы повышения эффективности МО САПР.

9.Назовите форму представления электрической схемы в памяти

ЭВМ.

10.Приведите модели представления коммутационных схем в памя-

ти ЭВМ.

11.Приведите модели представления монтажного пространства.

12.Назовите критерий оптимальности компоновки модулей ЭВМ.

13.Перечислите конструктивные ограничения в задачах компоновки.

14.Приведите классификацию алгоритмов компоновки.

15.Раскройте сущность последовательного алгоритма компоновки модулей ЭВМ.

16.Раскройтесущность задачи размещения конструктивныхэлементов.

17.Перечислите критерии, использующиеся при решении задачи размещения.

18.Приведите классификацию алгоритмов размещения.

19.Назовите исходные данные и основные аспекты задачи трасси-

ровки.

20.Приведите классификацию алгоритмов трассировки.

21.Перечислите основные требования к трассировке соединений.

22.Охарактеризуйте различные способы трассировки проводных соединений.

23.Сформулируйте задачу трассировки проводных соединений.

24.Сформулируйте задачи трассировки печатных соединений.

25.Назовите алгоритмы трассировки печатных соединений.

26.Приведите волновой алгоритм ЛИ.

Тема 2.2. Применение пакетов САПР при проектировании ЭВМ

2.2.1. Назначение и возможности системы автоматизированного проектирования AutoCAD

AutoCAD – универсальная система автоматизированного проектирования (САПР) фирмы Autodesk (США), завоевавшая наибольшую популярность во всем мире – 76 % пользователей работают в AutoCAD. Многие предприятия в разных странах обмениваются между собой чертежами в

127

формате AutoCAD *.dwg. Основным достоинством AutoCAD является доступность для создания на его базе мощных специализированных расчетнографических пакетов.

Система AutoCAD позволяет разрабатывать двухмерные (плоские) чертежи и рисунки, разрабатывать и моделировать каркасные, полигональные (поверхностные) и объемные (твердотельные) конструкции в различных областях человеческой деятельности (техника, строительство и архитектура, швейное производство и т. п.).

Версии системы AutoCAD 2000/20001/2002/2004 связаны между со-

бой единым форматом хранения данных и предназначены для работы в среде операционной системы Windows. Система AutoCAD 2002/2004 может использоваться в локальном или сетевом варианте.

Большим преимуществом системы AutoCAD, как средства рисования, является возможность последующего формирования электронного архива чертежей. Каждый из созданных таким образом файлов рисунков легко редактируется, что позволяет быстро получать чертежи-аналоги по чер- тежам-прототипам. Для облегчения процесса выпуска проектной документации можно разрабатывать «библиотеки стандартных элементов». В качестве стандартных элементов могут выступать как целые файлы, так и их отдельные части. Начиная с AutoCAD 2002, в систему включены специальные средства для контролирования стандартов предприятий, позволяющих управлять слоями, стилями и т. п. Мощным дополнением к этому является возможность использования языков программирования. Система AutoCAD имеет встроенный компилятор языка AutoLISP, который позволяет пользователю расширить возможности системы, а также средства разработки приложений на языке программирования СИ.

Пакет AutoCAD 2002/2004 позволяет работать одновременно с несколькими чертежами, имеет мощные средства визуализации создаваемых трехмерных объектов и расширенные возможности адаптации системы к требованиям пользователя, обеспечивает связь графических объектов с внешними базами данных, позволяет просматривать и копировать компоненты чертежа без открытия его файла, редактировать внешние ссылки и блоки, находящиеся во внешних файлах, и многое-многое другое.

Требования к компьютеру различны в зависимости от версии программного обеспечения. Для каждой более поздней версии AutoCAD требования к компьютеру ужесточаются. Так, для AutoCAD 2000 необходим процессор не хуже Р133, рекомендуемый объем памяти – 64 Мб (минимальный – 32 Мб), жесткий диск – не менее 130 Мб свободного простран-

128

ства, 50 Мб свободного дискового пространства в системном каталоге, не менее 64 Мб в файле подкачки. Сама система проектирования занимает порядка 150 – 190 Мб (в зависимости от варианта установки). Необходимо наличие мыши, монитор - SVGA с разрешением не хуже 800 × 600. Для AutoCAD 2004 необходим компьютер не ниже Pentium III с процессором 500 МГц, оперативной памятью 256 Мб, винчестером 2 Гб - на винчестере надо иметь свободными 350 Мб под программное обеспечение, и не менее 250 Мб для временных файлов, которые система образует во время сеансов работы. Для установки версии AutoCAD 2004 рекомендуется одна из сле-

дующих операционных систем: Windows 2000; Windows XP; Windows NT 4.0 (с обновлением Service Pack 6a или более поздним).

2.2.2. Трехмерное моделирование в системе AutoCAD

Система AutoCAD 2000/2002/2004 включает в себя достаточно широкий спектр средств трехмерного моделирования. Они позволяют работать как с простейшими, примитивами, так и со сложными поверхностями и твердыми телами. Базовые типы пространственных моделей, используемых в AutoCAD, можно условно разделить на три группы:

−каркасные модели;

−модели поверхностей;

−твердотельные модели.

Каркасная модель – это совокупность отрезков и кривых, определяющих ребра фигуры. В каркасном моделировании используются трехмерные отрезки, сплайны и полилинии, которые позволяют в общих чертах определить конфигурацию изделия – построить его каркас, Данный вид работы следует рассматривать, как этап вспомогательных построений для трехмерного проектирования более высокого уровня.

Поверхностная модель – это совокупность поверхностей, ограничивающих и определяющих трехмерный объект в пространстве. Моделирование поверхностей применяется для детальной отработки внешнего облика изделия. Создаваемые при этом объекты характеризуются лишь конфигурацией своей поверхности и поэтому не пригодны для решения таких задач, как определение инерционно-массовых характеристик изделия или получение необходимых изображений для оформления чертежей. Область применения данного вида моделирования – дизайн, решение задач компоновки сложных изделий и т. п.

Набор средств моделирования поверхностей системы AutoCAD 2002 весьма широк и позволяет создавать пространственные объекты практиче-

129

ски любой формы. Имеется возможность создавать следующие основные типы поверхностей: линейчатые поверхности, поверхности Кунса, поверхности Безье.

Твердотельное моделирование является основным видом трехмерного проектирования изделий машиностроения. Создаваемые в ходе такого моделирования тела воспринимаются системой как некие единые объекты имеющие определенный объем. Твердотельное моделирование позволяет не только эффективно решать компоновочные задачи, но и определять инерционно-массовые характеристики, получать с пространственного объекта необходимые виды, разрезы и сечения для оформления рабочей документации. Твердотельное модели могут подвергаться различным расчетам, в том числе методом конечных элементов.

Средства твердотельного моделирования системы AutoCAD 2002 не позволяют осуществлять параметрическое моделирование. Поэтому возможности этой системы в данной области уступают возможностям таких систем как Autodesk Mechanical Desktop, Inventor или Solid Works. Тем не менее AutоCAD 2002 вполне позволяет создавать твердотельные модели деталей и узлов, конфигурация которых представляет собой набор простейших форм. Серьезные сложности возникают лишь при моделировании изделий сложной неправильной формы, например, литых деталей.

Помимо средств создания пространственных объектов, блок трехмерного моделирования системы AutoCAD 2002 включает в себя средства просмотра объемного изображения, визуализации и средства редактирования трехмерных объектов.

2.2.3. Назначение, возможности, структура PCAD

Система P-CAD для Windows выпущена в феврале 1996 г. и получила название ACCEL EDA. После смены владельца в начале 2000 г. ей вернули старое название P-CAD (ACCEL EDA 15.1 стала называться P-CAD 2000).

P-CAD выполняет полный цикл проектирования печатных плат (ПП), включающий:

•графический ввод схемы;

•«упаковку» (перенос) схемы на ПП;

•ручное размещение компонентов;

•ручную, интерактивную или автоматическую трассировку провод-

ников;

•контроль ошибок в схеме и ПП;

•выпуск конструкторской и технологической документации.

130